為便攜式設(shè)備增加無(wú)線功能的設(shè)計(jì)策略

科技的進(jìn)步就是幫助人類化繁縟為簡(jiǎn)潔，提供更大的便利。近年來(lái)，便攜式設(shè)備給消費(fèi)者在視聽(tīng)享受方面提供了很大的便利，隨著無(wú)線技術(shù)的飛速發(fā)展，給便攜式設(shè)備增加無(wú)線功能成為必然的選擇。那么，在增加無(wú)線功能的時(shí)候，設(shè)計(jì)者需要考慮哪些方面的因素呢?

一、 需要考慮的主要挑戰(zhàn)

在增加無(wú)線功能的時(shí)候，設(shè)計(jì)者要面臨哪些挑戰(zhàn)?需要考慮哪些因素?專家們的建議將有助于設(shè)計(jì)師把握設(shè)計(jì)重點(diǎn)和方向。

“在給便攜式設(shè)備如MP3/PMP增加無(wú)線功能的時(shí)候，最重要的考慮是你得確保在任何使用狀態(tài)下可靠工作，這意味著在播放MP3或視頻的時(shí)候，如果有呼叫/電話，則你必須實(shí)時(shí)響應(yīng)呼叫/電話同時(shí)要暫停多媒體功能。另外由于無(wú)線設(shè)計(jì)包含發(fā)射器和接收器，這需要確保有良好的射頻性能。”德州儀器半導(dǎo)體技術(shù)上海有限公司硬件技術(shù)應(yīng)用經(jīng)理劉俊勇指出。Nordic半導(dǎo)體亞太區(qū)銷售經(jīng)理陳志謙則補(bǔ)充道：“給便攜式設(shè)備增加無(wú)線功能會(huì)面臨四大挑戰(zhàn)：成本、復(fù)雜性、功耗和尺寸大小。”他解釋說(shuō)：“無(wú)線功能將使設(shè)計(jì)更復(fù)雜，雖然有些供應(yīng)商設(shè)計(jì)了集成收發(fā)器的元件，但是把芯片設(shè)計(jì)到PCB的時(shí)候你得知道這些因

素將影響你的設(shè)計(jì)性能。它們是天線的位置、范圍、和其他設(shè)備的接口等。”

當(dāng)然，要支持設(shè)備正常工作，功耗方面的考量也是必不可少的，SiGe半導(dǎo)體公司無(wú)線數(shù)據(jù)產(chǎn)品總監(jiān)Andrew Parolin指出要把無(wú)線技術(shù)增加到便攜式設(shè)備中，電池的壽命和大小尺寸是主要的挑戰(zhàn)。因?yàn)樾庐a(chǎn)品縱使添加了新功能，但原來(lái)的基本特點(diǎn)(如MP3播放器的播放時(shí)間等)也絕不能遜于上一代產(chǎn)品。設(shè)計(jì)者必須開(kāi)發(fā)出耗電非常少的無(wú)線解決方案，而且能同時(shí)降低現(xiàn)有功能性的耗電量。對(duì)射頻前端模塊和功率放大器而言，電池壽命和尺寸大小是兩大重要問(wèn)題。這些器件一般是設(shè)備中耗電最多的部分，因此，要在便攜式設(shè)備中增添無(wú)線功能，它們就成了主要關(guān)注的焦點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，每一代前端模塊的尺寸大小都會(huì)較前一代減少 30-40%;而效率則遞增加1-3%。而且即使增添新功能，生產(chǎn)商也不希望現(xiàn)有產(chǎn)品尺寸增大，因?yàn)橥庑纬叽缰灰陨栽黾?，都?huì)大大影響用戶對(duì)產(chǎn)品的印象。飛利浦半導(dǎo)體資深技術(shù)行銷經(jīng)理蔣益杰則指出，在增加無(wú)線功能的時(shí)候，工程師還要考慮平臺(tái)、操作系統(tǒng)和無(wú)線接口的選擇問(wèn)題，這些因素都和系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)復(fù)雜度以及市場(chǎng)趨勢(shì)密切相關(guān)。

其他需要考慮的因素是無(wú)線功能帶來(lái)的散熱、外觀和重量問(wèn)題，雖然模塊化的方案有助于減輕RF方面的問(wèn)題難度和加速產(chǎn)品面市，但是模塊本身存在的尺寸和成本問(wèn)題都需要進(jìn)行折中考慮。

二、 無(wú)線協(xié)議和架構(gòu)的選擇策略

在增加無(wú)線功能的時(shí)候，工程師該如何選擇架構(gòu)和無(wú)線協(xié)議?SiGe的Parolin給出的建議是：系統(tǒng)工程師必須知道所需的無(wú)線應(yīng)用要求的最小帶寬是多少。某些應(yīng)用比如游戲等可能需要802.11g這樣的大帶寬無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，這是由于它們需要很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，所以即使可能消耗較多電流和有效的電池使用壽命，也必須如此。而對(duì)于語(yǔ)音等其它應(yīng)用而言，藍(lán)牙則可能是更好的選擇，因?yàn)樗茉谳^低的耗電量下滿足數(shù)據(jù)帶寬的要求。

目前可以實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線技術(shù)

TI的劉俊勇則表示一般可以選擇兩種架構(gòu)，一種是在現(xiàn)有平臺(tái)方案上增加無(wú)線modem，但這需要設(shè)計(jì)射頻通信層和接口以確保在無(wú)線modem和便攜式設(shè)備之間進(jìn)行實(shí)時(shí)可靠的通信。這種方案中可以選擇TI的單芯片解決方案Locosto。另外一種架構(gòu)是選擇集成有無(wú)線modem和應(yīng)用處理器的集成方案，例如TI的OMAP730。不過(guò)他表示不管選用何種方式，無(wú)線協(xié)議棧必須是成熟且強(qiáng)健的，他建議最好使用通過(guò)互操作測(cè)試(IOT)測(cè)試的無(wú)線協(xié)議棧。

Nordic的陳志謙給出的補(bǔ)充建議是：一要考慮使用非授權(quán)ISM頻段，例如如果你的產(chǎn)品在美國(guó)使用，則你可以使用915MHz頻段，如你的產(chǎn)品在歐洲銷售，你可以使用434或868MHz頻段。另外，2.4GHz頻段是全球可以使用的頻段。二要考慮供應(yīng)商對(duì)你的支持，例如如果從RF角度來(lái)看你的PCB不夠好，這樣就可能產(chǎn)生干擾，這時(shí)你需要供應(yīng)商給你一些建議。如果你通過(guò)分銷商獲得支持，你需要確保他們理解你的硬件設(shè)計(jì)需求。

目前市場(chǎng)上有許多標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線技術(shù)，工程師可以從應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)傳輸率、頻段和功耗方面考慮采用何種技術(shù)。例如，WLAN可以提供的通信范圍是100米左右，可以提供的數(shù)據(jù)傳輸率可以超過(guò)54Mbps。而NFC提供的通信范圍就是10cm左右，數(shù)據(jù)率為1~3Mbps，頻段則是13.56MHz。表一列出了目前可以實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線技術(shù)

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另外，工程師在增加無(wú)線功能的時(shí)候也可以考慮一些非標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線協(xié)議。Nordic的陳志謙指出類似IEEE802.xx的這些標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，因?yàn)橐_保兼容性方面的問(wèn)題，所以會(huì)延長(zhǎng)產(chǎn)品的面市時(shí)間，因?yàn)槟阋_保你的產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)，而且這樣也增加了一些非工程成本(NRE)開(kāi)銷，而一些非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。例如Nordic的nRF24xx在端對(duì)端應(yīng)用中有比藍(lán)牙更出色的性能，還不用做兼容性方面的測(cè)試。如果一個(gè)微微網(wǎng)中有其他制造商的無(wú)線產(chǎn)品，這時(shí)候藍(lán)牙很有優(yōu)勢(shì)，但如果都是一個(gè)公司的產(chǎn)品，這時(shí)候用藍(lán)牙就大材小用了。

實(shí)際上，便攜式設(shè)備的功耗是最重要的考量因素。一般應(yīng)用處理器和背光屏就占用50~60%的功耗，而且消費(fèi)者都希望手機(jī)和MP3播放器在電池支持下可以工作數(shù)十小時(shí)。這樣，無(wú)線部分就必須十分高效。“藍(lán)牙1.2版芯片以及增強(qiáng)數(shù)據(jù)率(2.0+EDR)芯片都不是很高效的,因?yàn)樗鼈冃枰扛?75us發(fā)送一個(gè)160bit的數(shù)據(jù)包(1600數(shù)據(jù)包/秒)以維持連接，這也是藍(lán)牙為什么不能用于低占空比

應(yīng)用的原因。”陳志謙指出。藍(lán)牙對(duì)于便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)，功耗問(wèn)題可以算是最大的問(wèn)題。這樣，在無(wú)線音頻流的應(yīng)用中，如果用藍(lán)牙，則幾個(gè)小時(shí)就會(huì)耗盡電池的電量。Zigbee通過(guò)放棄同步請(qǐng)求減少了功耗，但卻限制了帶寬。而如果采用非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，則既能獲得藍(lán)牙的帶寬，又可以獲得Zigbee的低功耗效果。

實(shí)際上，由于許多標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線協(xié)議都采用2.4GHz ISM頻段，許多專家已經(jīng)在擔(dān)心使用這個(gè)頻段的設(shè)備之間的干擾問(wèn)題。而這無(wú)疑將增加標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的使用成本。

三、 如何降低無(wú)線功能帶來(lái)的功耗?

顯然，增加無(wú)線功能帶來(lái)的最大問(wèn)題是功耗的增加，如何降低無(wú)線功能帶來(lái)的功率消耗是設(shè)計(jì)者考慮的頭等大事。無(wú)線設(shè)計(jì)人員的挑戰(zhàn)是要在不影響 RF 信號(hào)完整性的前提下把電池壽命延至最長(zhǎng)。在 RF 設(shè)計(jì)中，決定功率管理的實(shí)現(xiàn)方法有多個(gè)考慮因素。成本、電路板空間、效率及噪聲抑制等都是設(shè)計(jì)人員能否獲得最佳設(shè)計(jì)解決方案的重要考慮因素。決定便攜式設(shè)備的最佳功率管理方法并不是瑣碎的事，但如果在一開(kāi)始就能明確決定目標(biāo)和取舍，設(shè)計(jì)人員就能夠避免日后設(shè)計(jì)中的許多麻煩。

飛兆半導(dǎo)體應(yīng)用工程師Brian Law指出為了降低功耗，一般在功率調(diào)節(jié)有兩種選擇：線性調(diào)節(jié)器或 DC/DC 調(diào)節(jié)器。由于DC/DC 調(diào)節(jié)器的效率高于線性調(diào)節(jié)器，所以一般設(shè)計(jì)人員多喜歡采用DC/DC 調(diào)節(jié)器，不過(guò)這卻要付上代價(jià)。DC/DC 調(diào)節(jié)器的最大缺點(diǎn)是占用的電路板空間大。PWM 架構(gòu)器件需要小至 1uH 到 10uH 的電感，而電感在板上的占位面積可能和芯片一樣大。在電容性調(diào)節(jié)器中，還需要兩個(gè)典型值都為 1uF 的外接電容。除了用在線性調(diào)節(jié)器中的輸入和輸出電容之外，這些器件都是不可缺少的。開(kāi)關(guān)頻率與電感或電容值的大小成反比關(guān)系。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率增加，電感或電容值會(huì)減小。半導(dǎo)體制造商面對(duì)的挑戰(zhàn)在于提高開(kāi)關(guān)頻率。這會(huì)給無(wú)線設(shè)備帶來(lái)額外的缺點(diǎn)。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器會(huì)產(chǎn)生可能耦合到 RF 電路的開(kāi)關(guān)噪聲，這個(gè)問(wèn)題并非不能克服，但卻需要在任何無(wú)線設(shè)計(jì)中予以考慮。抑制噪聲的方法有很多，包括在輸出端增加輸出電容或鐵氧體磁珠 (ferrite bead)。RF 設(shè)計(jì)人員還需要考慮到通過(guò)設(shè)備從輸出反饋耦合到輸入的噪聲。這個(gè)噪聲可能通過(guò)電池反饋耦合到 RF 功率放大器。通?？梢栽谳斎攵撕?jiǎn)單地加上鐵氧體磁珠來(lái)抑制這種噪聲。

SiGe的Parolin建議，除了設(shè)計(jì)更高效率的功率放大器之外，前端模組還可將后置功率放大器的損耗減至最小，從而使該功率放大器的發(fā)射功率，這樣比一般分立式設(shè)計(jì)的給定天線輸出功率低。從而達(dá)到提高能效的效果。

四、 未來(lái)趨勢(shì)與供應(yīng)商的產(chǎn)品策略

“我們預(yù)測(cè)無(wú)線設(shè)計(jì)趨勢(shì)是給便攜式設(shè)備集成更多的音頻、視頻、圖像和游戲功能，融合是大趨勢(shì)。我們通過(guò)參考設(shè)計(jì)來(lái)簡(jiǎn)化客戶的無(wú)線設(shè)計(jì)。”TI的劉俊勇表示，目前TI可以提供集成有數(shù)字基帶和RF的GSM/GPRS單芯片方案Locosto并提供經(jīng)過(guò)全球IOT測(cè)試的L1/L23軟件。在中高端市場(chǎng)，TI可以提供OMAP產(chǎn)品。

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當(dāng)然，提高RF產(chǎn)品的集成度是各個(gè)供應(yīng)商采取的主要措施之一。SiGe公司認(rèn)為隨著藍(lán)牙(EDR、UWB)和802.11(802.11n-MIMO)更新版本的推出，無(wú)線技術(shù)將能夠廣泛滲透到便攜式消費(fèi)設(shè)備中。針對(duì)這個(gè)趨勢(shì)，SiGe半導(dǎo)體公司推出了能夠同時(shí)減小尺寸和耗電量的新一代無(wú)線射頻(RF)前端模塊和功率放大器系列。最新的802.11b/g前端模塊SE2559L 與現(xiàn)有產(chǎn)品相比，尺寸減小了40%，耗電減少了30mA，這就能實(shí)現(xiàn)在便攜式設(shè)備中加入無(wú)線解決方案。SiGe的最新藍(lán)牙功率放大器SE2425U，可使解決方案的尺寸減小30%，但同時(shí)仍然具有藍(lán)牙最新的增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率的功能。

飛利浦在集成上也強(qiáng)勢(shì)出擊，其WLANBGW200/211則集成了BB/MAC、RF、PA和無(wú)源器件?？蛻羲枰木褪菐讉€(gè)晶振和連接到電線的50歐姆傳輸線。

SigmaTel (矽瑪特)更看好藍(lán)牙和Wi-Fi無(wú)線應(yīng)用，并認(rèn)為技術(shù)會(huì)應(yīng)用到PMP上，它采取的措施是和英飛凌攜手，將英飛凌BlueMoon UniCellular(PMB8753)藍(lán)牙2.0解決方案作為矽瑪特STMP3600 MP3播放器參考設(shè)計(jì)套件(RDK)的組成部分。該參考設(shè)計(jì)將提供一個(gè)包含藍(lán)牙上棧軟件和相關(guān)的藍(lán)牙技術(shù)介紹。“這一設(shè)計(jì)將通過(guò)BQB認(rèn)證和UnplugFest測(cè)試，能有效降低客戶的開(kāi)發(fā)成本，并縮短產(chǎn)品的上市時(shí)間。矽瑪特客戶將能夠平穩(wěn)地從PMB8753過(guò)渡到優(yōu)化藍(lán)牙解決方案。”矽瑪特亞洲區(qū)高級(jí)副總裁劉家聲強(qiáng)調(diào)。

作為非標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線協(xié)議的堅(jiān)決擁躉，Nordi

c強(qiáng)調(diào)自己在集成度、效率和功耗方面的優(yōu)勢(shì)，如收發(fā)器集成度更高，而且更緊湊，它使用高效率的無(wú)線協(xié)議，采用自適應(yīng)跳頻技術(shù)，通過(guò)這些大大減少了功耗。陳志謙特別強(qiáng)調(diào)Noridc的nRF24Z1瞄準(zhǔn)MP3播放器和無(wú)線頭戴式耳機(jī)之間的音頻流傳輸應(yīng)用，可以提供4Mbps的數(shù)據(jù)率，如果傳輸未壓縮的CD級(jí)音頻這已經(jīng)是綽綽有余了。“而藍(lán)牙就達(dá)不到這個(gè)質(zhì)量，所以有些Hi-Fi雜志稱藍(lán)牙耳機(jī)聽(tīng)起來(lái)尖細(xì)些和缺乏動(dòng)態(tài)。”他指出。

無(wú)線技術(shù)將在未來(lái)幾年中扮演重要的角色，便攜式設(shè)備無(wú)線化如何演進(jìn)?我們將密切關(guān)注。